說到 x86 和 ARM,大家可能并不陌生?;?x86 的英特爾與 AMD 幾乎制霸 PC 端芯片,ARM 架構(gòu)也開始在麒麟、驍龍等手機終端芯片上大展拳腳。
與這兩位“頂流”相比,另一個備受中國半導(dǎo)體廠商喜愛的架構(gòu) RISC-V,大眾層面的認(rèn)知度可能就沒那么高了。不過在產(chǎn)業(yè)界人士眼中,它可是被寄予厚望的“潛力股”。
比如中科院院士倪光南先生,就曾在對比 x86、Arm 和 RISC-V 時,認(rèn)為 RISC-V 很可能發(fā)展成世界主流 CPU 之一,從而在 CPU 領(lǐng)域形成 Intel、Arm 和 RISC-V 三分天下的格局。
一款“路人緣”不高的架構(gòu),是誰給它與巨頭搶食的勇氣?一個研發(fā)者來自美國的技術(shù)生態(tài),又為何與中國情根深種?
欲與 x86 和 ARM 試比高:RISC-V 到底何方神圣?
說句實話,盡管 RISC-V 流行已經(jīng)有不少年頭了,但要說清楚它到底是什么,可能連產(chǎn)業(yè)界人士都是一團霧水。
這不,2020 年了,RISC-V 基金會董事長 Krste Asanovic 還要親自撰文,以《RISC-V 不是開源處理器》(RISC-V is not an “open-source processor”),來為 RISC-V 正名,真是好慘一架構(gòu)。
那么,RISC-V 到底是什么呢?我們嘗試用簡單的方式來問大家梳理一下:
首先,官方已經(jīng)給出了明確的定義,RISC-V 是一個基于“精簡指令集(RISC)”原則的開源指令集架構(gòu)。
劃重點, RISC-V 并不是一種處理器或芯片(Implementation),而是指令集規(guī)范(Specification)。
指令集是軟件和硬件之間的接口,在 CPU 中指導(dǎo)它如何進(jìn)行運算。而作為一套標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,它如何被使用來設(shè)計芯片級軟件系統(tǒng),幫助 CPU 更高效地運行,那就廠商們自憑本事了。
(指令集、微架構(gòu)設(shè)計和產(chǎn)品之間的關(guān)系分析)
其次,RISC-V 能夠異軍突起,與其“為開源而生”的特質(zhì)是分不開的。
一款 CPU 支持的指令集可以有很多種,早在 RISC-V 出現(xiàn)之前,也存在多種指令集構(gòu)架(ISA),無論是如今獨霸一方的 x86、ARM,還是 DEC、IBM 360、MIPS、SPARC 等等。RISC-V 作為“插班生”,是如何彎道超車的?得益于其徹底開放的特性。
2010 年,伯克利的研究團隊在為新項目選擇指令集的時候,發(fā)現(xiàn)當(dāng)前的許多指令集都存在知識產(chǎn)權(quán)限制,X86 被英特爾封閉使用、ARM 則收取高昂的授權(quán)費用,所以決定從零開始設(shè)計一套全新的指令集。
4 名成員僅用了 3 個月就完成了 RISC-V 的開發(fā)工作,并且決定以 BSD(Berkeley Software Distribution)開源協(xié)議將其開放。這是一個自由度非常大的協(xié)議,使用者幾乎不受任何限制,誰都可以基于 RISC-V 來設(shè)計自己的處理器,并且不需要支付授權(quán)費用。這讓 RISC-V 顯得格外“骨骼清奇”。
除此之外,它是按照精簡指令的設(shè)想被開發(fā)的,精簡指令集計算機(Reduced Instruction Set Computer-RISC)結(jié)構(gòu)可以降低 CPU 的復(fù)雜性,允許在同樣的工藝水平下生產(chǎn)出功能更強大的 CPU。自然很快就擁有了大量的開源實踐和流片案例。
而在此基礎(chǔ)上,RISC-V 開始收獲了自己最重要的籌碼——社區(qū)生態(tài)。
每一種芯片,想要取得商業(yè)上的規(guī)模化成績,都離不開生態(tài)系統(tǒng)的支撐。比如 x86 的強大,就源自英特爾多年培養(yǎng)的服務(wù)器芯片生態(tài)系統(tǒng)。而指令集向上承接軟件,向下規(guī)范硬件,作為“中間商”的它自然更需要兩端的生態(tài)力量。
伴隨著 RISC-V 指令集在技術(shù)上面的成熟,加州大學(xué)伯克利分校在 2015 年成立非盈利組織 RISC-V 基金會,打造 RISC-V 生態(tài)系統(tǒng)。果不其然,會員數(shù)的年增長率超過 100%。
谷歌、高通、IBM、英偉達(dá)、NXP、西部數(shù)據(jù)、Microsemi、中科院計算所、麻省理工學(xué)院、華盛頓大學(xué)、英國宇航系統(tǒng)公司、華為、特斯拉、三星、日立、希捷、阿里巴巴、聯(lián)發(fā)科……一個個知名企業(yè)與研究機構(gòu)加入其中。
匯聚了半導(dǎo)體設(shè)計公司、系統(tǒng)集成商、設(shè)備制造商、軍工企業(yè)、科研機構(gòu)等等產(chǎn)業(yè)力量的 RISC-V,工具鏈、應(yīng)用化自然是喜報頻傳。
去年,特斯拉考慮在新款芯片中使用免費的 RISC-V 設(shè)計;英偉達(dá)也將把 RISC-V 用于 GPU 內(nèi)部的控制器;三星也披露將在多種芯片上采納 SiFive 公司的 RISC-V 內(nèi)核,用于 5G 旗艦手機。
RISC-V 的生態(tài)鏈日漸成長和完善,甚至可以在某些細(xì)分市場與 ARM 爭鋒了。至此,大家或許對其成為“三大 CPU 之一”不會感到奇怪。
相見恨晚:RISC-V 的中國情緣
如此重要的開源架構(gòu),RISC-V 自然也得到了渴盼半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的政府的重度支持。
比如印度政府資助的處理器相關(guān)項目都開始向 RISC-V 靠攏,讓 RISC-V 成為了事實上的國家級指令集;巴基斯坦政府也宣布將 RISC-V 列為國家級 preferred architecture。但要說 RISC-V 與哪個國家最為密切,中國真的算數(shù)一數(shù)二。
一方面體現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)融合度上。
中科院計算所、華為公司、阿里巴巴集團等在內(nèi)的 20 多個國內(nèi)企事業(yè)單位,都加入了 RISC-V 基金會。伯克利、清華兩所高校還在深圳成立了 RIOS 實驗室,以扶持 RISC-V 軟件生態(tài)。2018 年 7 月,上海經(jīng)信委出臺了國內(nèi)首個支持 RISC-V 的政策。
有數(shù)據(jù)顯示,中國大約 300 家以上的公司都在關(guān)注或以 RISC-V 指令集進(jìn)行開發(fā)。而發(fā)展至今,已經(jīng)有不少企業(yè)基于 RISC-V 構(gòu)建了開源芯片關(guān)鍵技術(shù),推出了相關(guān)產(chǎn)品,比如平頭哥半導(dǎo)體推出的基于 RISC-V 構(gòu)架的玄鐵 910 處理器 IP 核心。
另一方面,則體現(xiàn)在國際輿論的動態(tài)上。
比如在貿(mào)易戰(zhàn)期間,RISC-V 處理器是否涉及美國出口管制條例,就引發(fā)了不小的爭論。盡管美國以外的企業(yè)(包括歐洲、中國等)自主研制的 RISC-V 處理器,并不會收到實質(zhì)性的出口管制約束。但 RISC-V 基金會還是決定將總部搬到瑞士,這種態(tài)度顯然與其他美國科技企業(yè)拉開了差距。
那么,除了秉承開放自由的理念之外,中國這塊土地究竟與 RISC-V 產(chǎn)生了化學(xué)反應(yīng),恐怕也需要從邏輯上去追尋的。
目前看來,讓 RISC-V 與中國情緣不斷的核心原因,主要有三個:
原因之一,是 RISC-V 自身的特殊優(yōu)勢。
開放原始碼指令集并不少見,為什么 RISC-V 能夠獨得青眼,免費、開放這種共性自然還不夠。與歷代指令集構(gòu)架相比,RISC-V 有三個特點是比較特別的:首先是簡潔,x86 與 ARM 作為商用架構(gòu),為了能夠保持向后兼容性,不得不保留許多過時的定義。而 RISC-V 作為后起之秀,則沒有這些歷史包袱,由于不用向后兼容,所以指令集文檔也相對更短,從而讓開發(fā)者更快地上手。
其次,RISC-V 的模塊化架構(gòu)為廠商提供了更高的靈活性,以及定制化生產(chǎn)的前提。RISC-V 是第一個被設(shè)計成可以根據(jù)具體場景可以選擇恰當(dāng)指令集的架構(gòu),不同的部分可以以模塊化的方式組織在一起,就像拼盤一樣各取所需,從而得以用一套統(tǒng)一的架構(gòu)滿足各種不同的應(yīng)用需求。這種擴展性可以降低芯片開發(fā)的周期和門檻,小公司也能參與其中,直接提升廠商的差異化競爭力。
而像 ARM 架構(gòu)中的 Application(應(yīng)用操作系統(tǒng))、Real-Time(實時)和 Embedded(嵌入式),彼此之間就并不兼容,無法進(jìn)行定制化設(shè)計。
原因之二,則是中國廠商的大力擁抱。
RISC-V 在中國的成功,與我國芯片研發(fā)受制于人的現(xiàn)狀不無關(guān)系。基于開源的 RISC-V,做出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的芯片,培養(yǎng)相應(yīng)的產(chǎn)業(yè)生態(tài),對于中國半導(dǎo)體來說無疑是沙漠中的一股清泉。
尤其是在政治環(huán)境不明朗的情況下,全球 90%以上的服務(wù)器芯片市場都建立在英特爾的 x86 架構(gòu)上,而 ARM 已經(jīng)被日本軟銀收購,雖然可以買到 IP 授權(quán),但缺少了設(shè)計 CPU 的核心能力,授權(quán)基礎(chǔ)上的產(chǎn)業(yè)能否長期穩(wěn)固,也是一道未解之謎。而 RISC-V 指令集本身不是商品,自然也就更少爭議。
除了政策上的風(fēng)險之外,中國如火如荼的人工智能建設(shè),也進(jìn)一步驅(qū)使國內(nèi)廠商擁抱 RISC-V。比如智能音箱、智能家居等更需要邊緣計算能力支撐的 AI 硬件,對架構(gòu)的靈活性要求也更高,需要不斷根據(jù)市場和技術(shù)的變化來進(jìn)行調(diào)整。RISC-V 就可以滿足不斷添加新指令的訴求,而對于 ARM 等架構(gòu)來說就很難。
二者疊加之下,RISC-V 成為中國廠商眼中的“良人”也就不足為奇了。
三是萬物互聯(lián)的熱土。
如果說前面是中國擁抱 RISC-V 的理由,那么 RISC-V 也對中國這片土壤有著深層的依賴。
我們知道,x86 指令集基本上統(tǒng)治了 PC 市場,而 ARM 指令集則占領(lǐng)了移動端處理器的大部分市場,在別人的主場 RISC-V 想要撼動市場恐怕難上加難。而 AIoT 領(lǐng)域的出現(xiàn),則給 RISC-V 帶來了前所未有的機遇。
一方面,X86 和 ARM 并沒有在這一領(lǐng)域有先發(fā)優(yōu)勢,更談不上一統(tǒng)江湖,這給了 RISC-V 與其爭雄的前提。另外,物聯(lián)網(wǎng)對軟硬件生態(tài)系統(tǒng)的要求不像手機那么高,本身產(chǎn)業(yè)鏈短、場景垂直,RISC-V 類安卓的碎片化、靈活可配置的特征,也決定了它更適合在這塊天地里自由翱翔。
此外,物聯(lián)網(wǎng)廠商對于成本更加敏感,RISC-V 免除了昂貴的指令集授權(quán)費用,可以激活更多不具備自主設(shè)計 SoC 能力的企業(yè)加入生態(tài)建設(shè)的行列中來,開發(fā)多樣化的 RISC-V 設(shè)備,以充分的創(chuàng)新來激活整個開發(fā)生態(tài)圈。
實際上,市面上 RISC-V 構(gòu)架芯片,如華米科技的 AI 芯片黃山 1 號、中天微電子的 CK902 等,都瞄準(zhǔn)的是物聯(lián)網(wǎng)這個大市場。顯然,當(dāng)生態(tài)建設(shè)是由一個國家、整個行業(yè)來共同推動時,這種勢能要遠(yuǎn)比某個巨頭要強大的多。所以說,RISC-V 要高速發(fā)展,重視中國也就順理成章。
如果說 x86 時代 WinTel 拼殺的是 PC 和服務(wù)器,ARM+安卓爭奪的是智能手機的江山,那么 RISC-V 與中國產(chǎn)業(yè)的擁抱將以 AIoT 為粘合劑,長久纏綿。
下一站冒險島:RISC-V 與中國的半導(dǎo)體遠(yuǎn)望
如膠似漆背后,如何攜手走向未來,對中國相關(guān)產(chǎn)業(yè)的意義十分重大。
而在此時,我們恐怕需要從“熱戀”的情緒中短暫地脫離出來,去思考一些“成家立業(yè)”的現(xiàn)實問題。
首先,RISC-V 生態(tài)相比 ARM 和 x86 依然不夠完整,目前主要應(yīng)用在相對中低端的產(chǎn)品上,在高性能服務(wù)器 CPU、GPU 上,沒有出現(xiàn)應(yīng)用范圍廣的案例。
這一方面是源自于基于 RISC-V 芯片的相應(yīng)軟件、工具鏈還有待完善。開放原始碼不是拿來就能用的,指令集開源并不意味著 CPU 核心也同時授權(quán),這對芯片公司提出了不小的設(shè)計和研發(fā)要求。顯然,在芯片這塊硬骨頭面前,RISC-V 只是幫中國行業(yè)走了一小段捷徑,而前方還有崇山峻嶺等待攀爬。
其次,在前瞻技術(shù)尚未攻破的前提下,RISC-V 卻已經(jīng)在國內(nèi)展現(xiàn)出營銷造勢過度傾向。將“國外一開源,國內(nèi)就自主”的老傳統(tǒng)充分發(fā)酵,在芯片“卡脖子”的焦慮下,通過炒作、成立合資公司的形式,標(biāo)榜自主可控。比如在國內(nèi)大肆宣揚“RISC-V 是開源的”打擦邊球,RISC-V 基金會董事長專門撰文澄清,可能也是對這些混淆概念的操作無法沉默了。
這種消耗大眾信任的過度炒作,也會透支 RISC-V 及相關(guān)產(chǎn)品的可信度,從而拖了中國芯的后腿。
此外,每一種架構(gòu)的產(chǎn)業(yè)能用性,都需要百花齊放的產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新來支撐。而 RISC-V 賦予各個廠家設(shè)計硬件的自由度的同時,也會出現(xiàn)安卓系統(tǒng)一樣,由于設(shè)備多樣、向下兼容,而出現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)不一、開發(fā)生態(tài)破碎的問題。
這樣很可能產(chǎn)生,實際應(yīng)用時不同芯片廠商的 RISC-V 架構(gòu)處理器無法適配同一軟件的情況。盡管目前很嚴(yán)重的碎片化問題還沒有發(fā)生,但 AIoT 網(wǎng)絡(luò)的特性決定了這一現(xiàn)象幾乎是不可避免的。
一個強有力的主導(dǎo)廠商,以垂直生態(tài)的方式孵化開發(fā)者,以標(biāo)準(zhǔn)化來規(guī)范大多數(shù)程式碼,同時為不干擾核心的應(yīng)用擴展留出空間,建立相關(guān)應(yīng)用市場等基礎(chǔ)平臺,或許能夠更快驅(qū)動產(chǎn)業(yè)形成 RISC-V 創(chuàng)新生態(tài)。
最后,RISC-V 核心應(yīng)用場景 IoT 的安全問題也必須開始交付完整的產(chǎn)業(yè)解決方案。
SOC 芯片的安全機制,往往是由硬件強制隔離程序、資料和存儲,建立可信任執(zhí)行環(huán)境;以及唯一證書和秘鑰作為信任根,加上安全啟動以及一系列工具等,來共同為系統(tǒng)安全保駕護航。RISC-V 的系統(tǒng)指令、特權(quán)指令里沒有安全指令,采用軟件定義域 MultiZone,以硬件強化的方式來保障穩(wěn)定運行。
這種情況下,RISC-V 想要借助 AIoT 和 5G 浪潮蓬勃生長,與 ARM 和 x86 競爭,就必須在安全性上更勝一籌,才能得到芯片廠商與普通用戶的信任。
最近 RISC-V 基金會成立了 RISC-V 安全常務(wù)委員會,圍繞基于 RISC-V 指令集的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、嵌入式系統(tǒng)和機器學(xué)習(xí)等討論安全改進(jìn)方案。中國方面會如何反應(yīng),拭目以待。
(RISC-V?CPU 的增長趨勢及主要應(yīng)用市場)
分析機構(gòu) Semico Research 在《RISC-V 市場分析:新興市場》的報告中指出,預(yù)計到 2025 年,市場將總共消費 624 億個 RISC-V CPU 內(nèi)核。RISC-V CPU 內(nèi)核從 2018 年至 2025 年之間的平均復(fù)合年增長率將高達(dá) 146.2%。其中,5G 手機、通訊、工業(yè)等細(xì)分市場,將為布局 RISC-V 的廠商帶來新機。
今天我們能夠探討 RISC-V 在中國市場的走紅,也證明了,中國半導(dǎo)體企業(yè)已經(jīng)發(fā)展到了一個新的臺階,擁有了向更高產(chǎn)業(yè)天花板沖擊的自信與潛力。除了 RISC-V 之外,龍芯、MIPS 等開源架構(gòu)也在產(chǎn)業(yè)獨立自主的備選名單里。
這一場頂層架構(gòu)爭奪戰(zhàn),到底會延展出怎樣繁盛的細(xì)節(jié),值得我們持續(xù)關(guān)注。